[论文解读] The cost of Bitcoin mining has never really increased

Yo-Der Song, Tomaso Aste|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 9被引用 8

一句话总结

本文分析了2010年至2020年比特币挖矿的长期能源成本，发现尽管哈希算力增长了十万亿倍，能源消耗增长了五千万倍，但工作量证明的成本相对于交易量仍稳定在约0.3%，表明系统对双重支付攻击维持了稳定的经济壁垒。

ABSTRACT

The Bitcoin network is burning a large amount of energy for mining. In this paper we estimate the lower bound for the global energy cost for a period of ten years from 2010, taking into account changing oil costs, improvements in hashing technologies and hashing activity. Despite a ten-billion-fold increase in hashing activity and a ten-million-fold increase in total energy consumption, we find the cost relative to the volume of transactions has not increased nor decreased since 2010. This is consistent with the perspective that, in order to keep a the Blockchain system secure from double spending attacks, the proof or work must cost a sizable fraction of the value that can be transferred through the network. We estimate that in the Bitcoin network this fraction is of the order of 1%.

研究动机与目标

• 量化2010年至2020年比特币挖矿的全球能源成本下限。
• 考察挖矿能源成本与网络交易总价值随时间的关系。
• 评估工作量证明成本相对于网络活动的增减趋势。
• 评估当前成本是否对双重支付攻击提供了足够的经济抑制力。
• 确定工作量证明机制在长期内是否保持经济效率且定价公允。

提出的方法

• 利用石油价格、哈希技术进步和全网哈希活动的历史数据，估算能源消耗的下限。
• 基于ASIC挖矿硬件的效率（每十亿次哈希0.03焦耳）计算每日和年度能源成本。
• 通过计算每日挖矿成本与每日交易量的比率，评估随时间推移的成本效率。
• 应用Aste（2016）的模型，估算使双重支付攻击具有经济可行性的最小交易量占比。
• 分析随时间变化的比率 $ C_t / V_t $，其中 $ C_t $ 为挖矿成本，$ V_t $ 为交易量，使用2009年至2020年的数据。
• 聚焦2017年以后的时期，以评估近期趋势及成本与交易量比率的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 过去十年中，比特币挖矿成本相对于交易量是上升还是下降？
• RQ2 在考虑技术和市场变化的前提下，2010年至2020年比特币挖矿的能源成本下限是多少？
• RQ3 基于经济激励，当前的工作量证明成本是否足以阻止双重支付攻击？
• RQ4 挖矿成本与交易量的比率如何随时间演变，这对系统安全经济学意味着什么？
• RQ5 成本与交易量比率的稳定性在多大程度上反映了比特币网络的自我调节机制？

主要发现

• 尽管哈希算力增长了十万亿倍，总能源消耗增长了五千万倍，但自2010年以来，挖矿成本与交易量的比率仍稳定在约0.3%。
• 成本与交易量比率 $ C_t / V_t $ 的均值为0.14%，四分位距为0.02%至0.4%，表明在交易量变化九个数量级的范围内，该比率表现出极强的稳定性。
• 2017年后，该比率的均值略有上升至0.3%，第10和第90百分位数分别为0.1%和0.4%，表明尽管网络持续增长，其稳定性依然保持。
• 基于6个区块的确认深度和0.3%的成本比率，当前的工作量证明成本可保护至少1.5%的全球交易量免受双重支付攻击。
• 本研究得出结论：工作量证明成本并非过高，反而过低，无法完全阻止攻击，若攻击成本进一步下降，可能存在潜在漏洞。
• 分析表明，该系统维持了公平且自我调节的经济防御屏障，与Aste（2016）的理论预期一致，即成本必须是所涉价值的相当大一部分。